2023年10月31日、TON(旧Telegram Open Network)は、最初の公開パフォーマンスライブテストで毎秒104,715トランザクションという驚異的なピークに達し、25分間で合計107,652,545トランザクションを完了し、世界新記録を樹立しました。 Certikによって検証および確認されたこのパフォーマンスにより、TONは世界最速で最もスケーラブルなブロックチェーンになり、すべてのL1ブロックチェーンやPayPal、Visa、Mastercardなどの著名な中央集権型決済ネットワークの処理速度を上回ります。
トランザクションを実行し、受信キューから削除するメッセージのリスト。 メッセージが処理された後、新しいメッセージが送信キューに入り、メッセージ処理によってスマートコントラクトの状態が変更されます。 つまり、シャード X のバリデーターがシャード Y の現在の状態を維持するために、シャード Y ブロック内のすべてのトランザクションを実行する必要はありません。 ブロックをダウンロードし、発生した変更を要約するだけです。 メッセージキューとスマートコントラクトの状態で発生します。
この場合、ユーザーAとユーザーBがそれぞれ独自のウォレットコントラクトを持っていると仮定します。 ユーザー A は、一定量のトークンをユーザー B に転送したいと考えています。 この場合、ユーザーAのウォレットコントラクトは、ユーザーBのウォレットコントラクトと相互作用して、トークンの転送を実現します。 プロセス全体は、1つの集中型コントラクトに依存する必要はなく、2つの分散型コントラクトを介して行われます。
TONホワイトペーパーの説明:世界最速のブロックチェーンの背後にあるテクノロジーの謎を解き明かす
2023年10月31日、TON(旧Telegram Open Network)は、最初の公開パフォーマンスライブテストで毎秒104,715トランザクションという驚異的なピークに達し、25分間で合計107,652,545トランザクションを完了し、世界新記録を樹立しました。 Certikによって検証および確認されたこのパフォーマンスにより、TONは世界最速で最もスケーラブルなブロックチェーンになり、すべてのL1ブロックチェーンやPayPal、Visa、Mastercardなどの著名な中央集権型決済ネットワークの処理速度を上回ります。
TONは間違いなく注目に値するプロジェクトです。 この記事では、TONのホワイトペーパーを詳しく見ていきますが、そのユニークな技術的特徴と革新性、そしてTONが世界最速のブロックチェーンである理由を明らかにします。
! TONホワイトペーパー分析: 世界最速のブロックチェーンを支える技術を解き明かす
スケーリングの課題
スケーラビリティは、ブロックチェーン技術の開発における大きな課題となっています。 ブロックチェーンスケーリングスキームの主な目的は、システムのスループットを向上させ、トランザクション手数料を削減することで、ブロックチェーンネットワークがより多くのトランザクションを処理し、大規模なアプリケーションによりよく適応できるようにすることです。 さまざまなパブリックチェーンが新しいコンセンサスとアーキテクチャ設計を試み続けていますが、現在の結果はまだ満足のいくものではなく、ブロックチェーンが大規模なアプリケーションに移行するためのボトルネックとなっており、TG10億ユーザーというビジョンを実現することは困難です。 現在、主流のスケーリングソリューションは、次のカテゴリに分類できます。
シャーディング:ネットワークを小さな部分に分割し、それぞれがトランザクションとスマートコントラクトを並行して処理できるようにすることで、ネットワークのスループットを大幅に向上させます。 しかし、シャーディングには潜在的なセキュリティ上の問題が伴い、各シャードはネットワーク全体よりも安全性が低い可能性があります。 さらに、シャード間の通信は技術的な課題です。 代表的な例:イーサリアム2.0とNEARプロトコル。
サイドチェーン:サイドチェーンは、メインチェーンから独立して動作するブロックチェーンの一種であり、独自のコンセンサスメカニズムとブロックパラメータを持つことができます。 サイドチェーンを使用すると、ユーザーは2つのチェーン間で資産を転送できるため、メインチェーンの負担を軽減します。 代表例:ポリゴン
レイヤー2ソリューション:メインチェーンの上に別のレイヤーを構築することで、L2は取引確認時間を短縮し、取引手数料を低くすることができます。 例えば、L2であるOptimismとArbitrumは、どちらもイーサリアム専用に設計されたスケーリングソリューションです。 その結果、Optimism と Arbitrum のアーキテクチャの一部はレイヤー 1 にあります。 イーサリアムのアップグレードにより、1秒あたりのトランザクション数(TPS)の上限が2〜4kから約2wに引き上げられました。
zkSync 2.0:zkSync 1.0のTPS上限が数百であるのに対し、zkSync 2.0は大幅な改善をもたらします。 zkSyncチームは、バージョン2.0が10w TPSの上限に達することができると主張していますが、ほとんどの機関は、真の上限は1〜2wになる可能性があると予測しています。 Starknet: 6月にQuantum Leapへのアップグレードを完了した後、TPSは現在100TPSをわずかに超えています。
Solana:Solanaは、スケーリングソリューションの中核として、Proof of History(PoH)と呼ばれる革新的なコンセンサスアルゴリズムを使用しています。 Solanaは最大65,000TPSを謳っていますが、そのほとんどは実際にはノード間通信として機能します。 実際の取引量は、6〜8k TPSに制限されている場合があります。 さらに、Solanaは中央集権的なコンセンサスメカニズム設計により、NFTのミント時など、多数のリクエストに直面して複数のダウンタイムを経験しています。 さらに、Solanaはまだセントラルノードのローテーションの実装に成功していません。
TONブロックチェーンは、Telegramの創設者兼コアチームによって設計されています。 世界で最も人気のあるソーシャルプラットフォームの1つであるTelegramは、月間アクティブユーザー数が約9億人で、高レベルのセキュリティとプライバシーを維持しながら、安定したスムーズなユーザーエクスペリエンスを提供し、毎日数百億のメッセージがソフトウェア内で送信されています。 web3の概念は比較的よく知られるようになりましたが、実際のクリプトネイティブユーザーはまだ少数派であり、ほとんどがトークンへのアクセスを中央集権的な取引所に依存しています。 世界で最も人気のある分散型暗号ウォレットであるMetamaskは、現在、月間アクティブユーザー数はわずか3,000万人です。 そして、TONの設計哲学は、少数のWeb3オタクだけでなく、最初から何十億人ものユーザーにサービスを提供することに基づいています。
! TONホワイトペーパー分析: 世界最速のブロックチェーンを支える技術を解き明かす
無限シャーディングパラダイム
シャーディングは、データベース設計に由来する概念です。 これは、大きな論理データ・セットを分割し、それを相互に共有されていない複数のデータベースに分散し、複数のサーバーに分散させることを指します。 簡単に言うと、シャーディングは水平方向にスケーリングする機能を提供し、データを並列処理できる独立した部分に分割できるようにします。
例えば、イーサリアム2.0はかつて64個のシャードを固定すると発表し、その後難易度が高すぎるため放棄されましたが、NEARのNight Shadowプロトコルは来年100個のシャードを達成する予定で、現在は4個のシャードがあります。
従来のシャーディング方法とは異なり、TONは無限シャーディング戦略を採用しています。
ただし、TONのアプローチが先進的であると見なされるのは、シャードが多いからではなく、次の2つのユニークな機能があるためです。
! TONホワイトペーパー分析: 世界最速のブロックチェーンを支える技術を解き明かす
現在、TONは、同期とガバナンスのためのメインチェーン(Masterchain)と、スマートコントラクトのためのワーキングチェーン(Workchain)の2つのワーキングチェーンで構成されています。 作業チェーンの下には、シャードチェーンと仮想アカウントチェーンの最下位レベル(Accountchain)があります
作業チェーンは、N 個のシャード (1 から 256 個のシャード) に分割できます。 各シャードには独自のバリデーターグループがあります。 作業チェーンチームは、独自のシャードでトランザクションを実行する責任があります。 同時に、ワークチェーンの他のすべてのシャードからブロックを常にダウンロードしています。 一般に、ブロックチェーンは、状態の変化を記録する一連のブロックです。 POSブロックチェーンの場合、バリデーターはまず、変更のリストを含むブロックをコンパイルすることで、ブロックチェーンの状態をどのように変更したいかについて合意します。 このブロックに投票した後、十分な票が集まると、ブロックをブロックチェーンの状態に適用し、次のブロックに移動します。
ブロックスレッドのスループットは、バリデーターが受け入れることに同意する前に、そのブロック内のすべてのトランザクションをチェックしなければならないため、非常に制限されています。 つまり、TONには多くのスレッドがあり、それらを単にミニマイクロブロックチェーンと考えることができます。 これらは並行して存在し、それぞれに独自のバリデーターのセットがあります。
メインチェーン
メインチェーンはTONのメインブロックスレッドです。 これは、残りのすべてのブロックを同期し、バリデーターセットを再計算するために使用されます。 すべてのスレッドが新しいブロックに同意すると、それに署名し、メインチェーンに登録します。 ただし、メインチェーンバリデーターはブロックの有効性を検証せず、適切なバリデーターによって署名されているかどうかのみをチェックします。 そのため、多くのスレッドが並行して共存する可能性があります。 異なるスレッドからのコントラクトは、メッセージを送信することによって相互に通信します。
作業の連鎖
作業チェーンは、その規則に従って実行できる独立したアドレス空間です。 たとえば、仮想マシンが異なっていたり、ガス制限が高いブロックの公開にかかる時間が長くなったりする場合があります。 最も重要なのは、メッセージを交換できるように、ワークチェーンが同じメッセージキュー形式になっている必要があることです。 これは、すべてのワークチェーンがほぼ同じセキュリティ保証を持つ必要があることも意味します。 メッセージを交換できるため、これらのメッセージはネットワーク トークンを伝送します。 現在、メインチェーンと最初の処理作業チェーンの2つの作業チェーンがアクティブになっています。 作業のチェーンは、アドレス接頭辞 -1:ax... 1s2 - メインチェーンの口座のアドレス。 -1 はメインチェーンの接頭辞です。
0:ZX... 123 - 最初の作業チェーンのアカウントのアドレス。 0 - 作業チェーンを処理する最初の接頭辞です。
シャードチェーン
処理スレッド (シャードチェーン) は、作業チェーンを処理する独立したブロックスレッドです。 デフォルトでは、ワークチェーン 0 には 1 つのスレッドと 1 つのチェーンしかありません。 そのスレッドのバリデーターは、外部メッセージを受け入れ、自分自身または他のワークチェーンから送信する内部メッセージを処理します。 最後の N ブロックでスレッドが過負荷になる場合、スレッドは分割され、1 つのスレッドが 2 つに分割され、トランザクションが並列に実行されます。
アドレスは 0:00 で始まります。 - 0:88.. 先頭のアカウントは、アカウント 0:88: のスレッド 1 にあります。 - 0:フリップフ。 スレッド 2 にあります。 すべてのスマートコントラクトはグリッチなしで相互に非同期に通信するため、スループットは3倍になりました。 負荷が下がると、しばらくするとスレッドはマージされます。 負荷が増加し続けると、2 つのスレッドが何度も分割される可能性があります。 メインチェーンにはスレッドが1つしかありません。
TONのブロックは、状態変化を実現するために完了する必要があるトランザクションの単なるリストではありません。 代わりに、ブロックは次のようになります。
トランザクションを実行し、受信キューから削除するメッセージのリスト。 メッセージが処理された後、新しいメッセージが送信キューに入り、メッセージ処理によってスマートコントラクトの状態が変更されます。 つまり、シャード X のバリデーターがシャード Y の現在の状態を維持するために、シャード Y ブロック内のすべてのトランザクションを実行する必要はありません。 ブロックをダウンロードし、発生した変更を要約するだけです。 メッセージキューとスマートコントラクトの状態で発生します。
ブロックチェーンの世界を根本的に変えるには、代償が伴います。 この急進的なアプローチを利用するために、TONスマートコントラクトの開発者は、異なる方法でコントラクトを設計する必要があります。 TONブロックチェーンの基本原子単位はスマートコントラクトです。 スマートコントラクトには、アドレス、コード、およびデータの単位(永続的な状態)があります。 このようなユニットは、スマートコントラクトが常にすべての永続的な状態に対してアトミックに同期されたアクセスを持つため、アトミックユニットと呼ばれます。
Hypercube ネットワーク ルーティング
TONは、システムの規模に関係なく、任意の2つのブロックチェーン間のトランザクションが常に迅速に処理されるようにスマートルーティングメカニズムを作成し、TONブロックチェーン間の情報送信にかかる時間はチェーンの数に応じて対数的に増加するため、数百万のチェーンにスケーリングしても最速で通信できます。
TONブロックチェーンでは、Instant Hypercube RoutingとSlow Routingは、クロスチェーントランザクションを処理するために使用される2つのルーティングメカニズムです。
! TONホワイトペーパー分析: 世界最速のブロックチェーンを支える技術を解き明かす
Instant Hypercube Routing:メッセージのルーティングを高速化し、クロスチェーントランザクションをわずかな時間で完了できるようにするTONのアイデア。 従来の低速キューブ ルーティングでは、メッセージはシャード チェーンによってハイパーキューブ ネットワークに沿って宛先シャード チェーンにルーティングされます。 ただし、メッセージルーティング中に、宛先シャードチェーンが属するバリデータは、メッセージを事前に処理してブロックに追加し、メルケルプルーフ(レシート)を提供し、レシートを送信して送信中のメッセージを破棄することを選択できます。 これにより、クロスチェーントランザクションを非常に短い時間で完了することができます。 高速ルーティングは、高次元のキューブルーティング構造を構築することにより、効率的なクロスチェーンインタラクションを実現します。 この構造では、各チェーンは立方体の 1 つの頂点にマップされ、チェーン間の距離は頂点間のホップ数として表されます。 このアプローチにより、トランザクションを最短経路で迅速にルーティングできるため、チェーン間のやり取りが効率的になります。 高速ルーティングは、ブロックの確認を待たずにクロスチェーントランザクションを数秒で完了できます。
スロールーティング:スロールーティングは、トランザクションをソースチェーンから宛先チェーンに徐々に転送することにより、クロスチェーントランザクションを処理する比較的伝統的な方法です。 この方法では、トランザクションは最初にソースチェーン上のブロックにパッケージ化され、次にリレイヤーを介して宛先チェーンに転送されます。 デスティネーションチェーンのバリデーターは、トランザクションの有効性を検証し、それをデスティネーションチェーンのブロックにパッケージ化します。 高速ルーティングに対するスロールーティングの利点は、クロスチェーントランザクションが完全なブロック確認プロセスを経る必要があるため、高度なセキュリティと分散化を提供することです。 TCP/IP ネットワークと同様に、宛先 IP アドレスは宛先にアドレス指定され、メッセージが宛先チェーンに順番に確実に送信されるようにします。 スケール N のシャード チェーン ハイパーキューブ ネットワークの場合、中間シャード チェーン ホップ = log16(N)-1 を通過する必要があります。 したがって、数百万のシャードチェーンをサポートするために必要なルーティングノード(中間シャードチェーン)は4つだけです。
なぜこのように設計されているのですか? **
配布にはバリデーターが必要です。 数万のノードを持つ非常に大規模なシステムの場合、負荷が大きすぎて拡張できません。 シャーディング後、各シャードには shard0、shard1... また、シャード間の通信を実現することも必要です。 通信はシャード間接続が可能であり、あるシャードから別のシャードに移動するには、シャードとシャードのルーティングメカニズムが必要です。 接続は、中間ノードをスキップするルートを形成します。 メッセージがルーティングされるたびに、送信時間が 1 ブロック時間だけ増加することに相当します。
シャードチェーンの総数が増えると、多くの計算能力とネットワーク帯域幅が必要になり、システムのスケーラビリティが制限されます。 そのため、1 つのシャードから他のすべてのシャードにメッセージを直接配信することはできません。 代わりに、各シャードは、(w,s) シャード識別子に 16 進数が付いた別のシャードにのみ "接続" されます。 このようにして、すべてのシャードチェーンが「ハイパーキューブ」グラフを形成し、メッセージはこのハイパーキューブの端に沿って渡されます。
メッセージが現在のシャードとは異なるシャードに送信された場合、現在のシャード識別子の 16 進数 (確定的に選択) は、ターゲット シャードの対応する番号に置き換えられ、結果の識別子は、転送されたメッセージの受信者になるおおよその宛先として機能します。
ハイパーキューブルーティングの主な利点は、シャードチェーンのブロックを作成するバリデーターが「隣接する」シャードチェーンの出力キューからメッセージを収集して処理しなければ、ステーキングを失うブロック有効性条件です。 このようにして、メッセージは遅かれ早かれ最終的な宛先に到達することが予想されます。 メッセージは転送中に失われることも、再配信されることもありません。
ハイパーキューブ ルーティングでは、複数の中間シャード チェーンを介してメッセージを転送する必要があるため、追加の待機時間とコストが発生します。 ただし、これらの中間シャードチェーンの数は非常にゆっくりと増加し、シャードチェーンの総数のログNに関連しています。
通信は非同期です
TONのスマートコントラクトは、インターネットマイクロサービスと比較できる非同期通信を実装しています。 各マイクロサービスは、ローカル データへのアトミックに同期されたアクセスのみを持ちます。 2 つのマイクロサービス間の通信には、ネットワーク経由での非同期メッセージの送信が含まれます。
システムアーキテクチャでは、大規模なシステムではマイクロサービスのアーキテクチャが必要になることがよくあります。 この分散アプローチを採用するには多少のトレードオフが必要ですが、ユーザーエクスペリエンスの利点をもたらすことができます。 最新のシステム管理は、Kubernetesのようなシーケンサーに依存して、コンテナ化されたマイクロサービスのセットを取得し、必要に応じて新しいインスタンスを自動的にスピンアップ(自動スケーリング)し、マシン間で効率的にパーティション分割します。
Kubernetes(Massive Cluster Management System)に例えると、これはまさにTONが行っていることです。 特定のシャードチェーンの負荷が増加すると、2つの部分に分割されます。 スマートコントラクトはアトミックであるため、半分に分割されることはありません。 これは、かつて同じシャードチェーン上にあったスマートコントラクトが、ある日、別のシャードチェーン上に存在する可能性があることを意味します。
TONの仮想マシン(TVM)は、分散型マイクロサービスの概念を、イーサリアムEVMに対するベンチマークとなるアーキテクチャ全体に適用しています。
地方分権化
これは、シャーディング分野で最も複雑で困難なシャーディングメカニズムの1つです。 データベース全体が分割され、異なるシャードに配置されます。 各シャードは、ブロックチェーン全体の状態ではなく、すべてのデータを独自のシャードに格納します。
TONブロックチェーンシャーディングでは、すべてのサービスがスマートコントラクトの形で実装され、スマートコントラクトの状態データは対応するシャードネットワークにのみ保存され、ステートシャーディングを実現します。
それだけでなく、TONでは、各ユーザーが自分のコントラクトでトークンの状態を管理できるという、業界でもユニークな実装パスを実現しており、ブロックチェーンの状態からの分散化を真に実現しています。 この設計の原則をケーススタディを通じて詳細に探ります。
まず、ウォレット契約とJettonウォレット契約を理解する必要があります。 ウォレットコントラクトは、TONブロックチェーン上でユーザーのトークンを管理するユーザー固有のスマートコントラクトです。 Jetton(ロシア語:Jewel)ウォレットコントラクトは、ユーザーのJettonトークンの管理に特化した特別なタイプのウォレットコントラクトです。 これらのトークンは、ネットワーク料金の支払いやスマートコントラクトの実行に使用できます。 各ユーザーには、独自のウォレット契約とJettonウォレット契約があります。 これらのコントラクトは、ユーザーがトークンを保存および管理するためのデジタルウォレットとして機能します。 同時に、これらのコントラクトは他のユーザーのコントラクトと相互作用して、分散型の資産の転送と取引を可能にすることもできます。
この場合、ユーザーAとユーザーBがそれぞれ独自のウォレットコントラクトを持っていると仮定します。 ユーザー A は、一定量のトークンをユーザー B に転送したいと考えています。 この場合、ユーザーAのウォレットコントラクトは、ユーザーBのウォレットコントラクトと相互作用して、トークンの転送を実現します。 プロセス全体は、1つの集中型コントラクトに依存する必要はなく、2つの分散型コントラクトを介して行われます。
TONブロックチェーンのユーザーは、資産の状態を管理するための独自の契約を持っているため、すべての資産を管理するリスクを負う単一の中央集権的な契約はありません。 これにより、システムの分散化が進み、単一障害点のリスクが軽減されます。 すべてのユーザーの資産の状態は専用のコントラクトによって管理されており、攻撃者は単一の集中型コントラクトを攻撃することでシステム全体に影響を与えることはできません。 また、ユーザー間の資産取引はスマートコントラクトを通じて自動的に実行することができ、人為的な操作のリスクを回避することができます。 また、ニーズに応じて独自のウォレットコントラクトとJettonウォレットコントラクトをカスタマイズして、より多くの機能とアプリケーションシナリオを実現することもできます。 これにより、ユーザーはより柔軟で自律的になります。 各自が資産の状態を自分の契約で管理し、システムのスケーラビリティが向上します。 ユーザー数が増えると契約数も増えますが、各契約が独立して動作するため、システム全体に過度な負担をかけることはありません。
上記は、TONブロックチェーンのスケーラビリティとホワイトペーパーの技術的アーキテクチャに関する私の分析であり、最初のドラフトを編集してくれたAwesome Doge博士に感謝します。 ロシアとウクライナの開発チームの忍耐力、そして最後にTelegramの創設者であるニコライ・ドゥーロフ氏の何年も前の素晴らしいデザインに感謝します。